1. Что такое жесткий
диск?
Жесткий диск (часто называемый
винчестером) – устройство, предназначенное для длительного хранения
информации. В отличие от оперативной памяти (ОЗУ или RAM), теряющей
информацию при отключении питания, жесткий диск хранит информацию постоянно.
Жесткий диск чаще всего имеет объем больше, чем оперативная память.
1.1. Основные компоненты и принцип работы жесткого
диска
Жесткий диск состоит из гермоблока
и платы с электронными элементами. На плате размещена вся управляющая электроника, за исключением
предусилителя, размещенного внутри гермоблока в непосредственной близости от
головок. В гермоблоке размещены все механические части: пластины (диски),
шпиндель (ось), магнитные головки чтения/записи, двигатель.
Пластины
имеют форму диска и изготавливаются из металла (чаще всего используется
алюминий), керамики или стекла. Обе стороны каждой пластины покрыты тонким
слоем намагничивающегося материала. В последнее время для этого используется оксид хрома, который имеет
большую износостойкость, чем покрытие на
основе оксида железа, используемого в ранних моделях. Количество пластин
определяет физический объем накопителя.
Пластины установлены на
центральной оси или шпинделе. Шпиндель вращает все пластины с одинаковой
скоростью.
С левой или правой стороны от шпинделя, находится поворотный позиционер, несколько
напоминающий по виду башенный кран: с одной стороны оси находятся обращенные
к дискам тонкие, длинные и легкие несущие магнитных головок, а с другой - короткий и более массивный хвостовик с обмоткой
электромагнитного привода. На каждую пластину приходится по два коромысла,
расположенные с разных сторон. Таким образом, каждой стороне каждой пластины
соответствует одна головка чтения/записи.
Чем меньше головка и чем
ниже она парит над поверхностью диска, тем меньшие магнитные области она может
записывать, и, следовательно, тем больше данных можно записать на диск. Головка
чтения/записи напоминает подковообразный магнит, так как она образована
противоположными полюсами магнита, обращенными друг к другу через узкий промежуток.
Этот промежуток делается исключительно узким, чтобы лишь очень малые области
поверхности диска испытывали влияние поля в любой момент вращения, что ведет к
увеличению плотности записи.
При поворотах коромысла
позиционера головки совершают движение по дуге между центром и периферией
пластин. Такое движение совместно с вращением пластины позволяет головкам
получить доступ ко всей поверхности пластины.
Угол между осями позиционера и шпинделя
и расстояние от оси позиционера до головок подобраны так, чтобы ось головки при поворотах как можно меньше
отклонялась от касательной к дорожке.
В более ранних моделях
коромысло было закреплено на оси
шагового двигателя, и расстояние между дорожками определялось
величиной шага. В современных
моделях используются соленоидные
позиционеры с линейным двигателем, который не имеет какой-либо дискретности, а установка на дорожку производится по
сигналам, записанным на пластинах, что
дает значительное увеличение
точности привода и плотности записи на дисках.
Обмотку позиционера окружает
статор, представляющий собой постоянный магнит. При подаче в обмотку
тока определенной величины и полярности коромысло начинает
поворачиваться в соответствующую сторону с соответствующим ускорением.
Динамически изменяя ток в обмотке, можно устанавливать позиционер
в любое положение. Такая система привода получила название
Voice Coil (звуковая катушка) -
по аналогии с диффузором
громкоговорителя. Когда позиционер с шаговым мотором переводит головки на
большое расстояние, он продвигает их шагами от дорожки к дорожке. Напротив,
соленоидным системам достаточно один раз изменить значение магнитного поля, и
головки перемещаются прямо по назначению. Это свойство позволяет соленоидным
системам работать значительно быстрее систем с шаговым мотором.
На хвостовике обычно
расположена так называемая магнитная защелка
- маленький постоянный магнит,
который при крайнем внутреннем положении головок (landing zone -
посадочная зона) притягивается к поверхности статора и фиксирует коромысло
в этом положении. Это
так называемое парковочное
положение головок, которые при этом лежат на поверхности диска,
соприкасаясь с нею. В некоторых моделях
для фиксации позиционера предусмотрен специальный электромагнит, якорь которого
в свободном положении блокирует движение
коромысла. В посадочной зоне дисков информация не записывается.
Двигатель, вращающий диски,
расположен под дисками или встроен в шпиндель. При включении питания, процессор
жесткого диска выполняет тестирование электроники, после чего выдает команду
включения шпиндельного двигателя. При достижении некоторой критической скорости
вращения дисков плотность увлекаемого поверхностями дисков воздуха становится
достаточной для преодоления силы прижима головок к поверхности и поднятия их на
высоту от долей до единиц микрон над поверхностями пластин – головки
“всплывают”. С этого момента и до снижения скорости ниже критической головки
держатся на воздушной подушке, не касаясь поверхностей дисков.
После достижения дисками
скорости вращения, близкой к номинальной, головки выводятся из зоны парковки, и
начинается поиск сервометок для точной стабилизации скорости вращения. Затем
выполняется считывание информации из служебной зоны (в частности, таблицы
переназначения дефектных участков). В завершение инициализации выполняется
тестирование позиционера путем перебора заданной последовательности дорожек.
Если тестирование прошло успешно, процессор выставляет на интерфейс признак
готовности и переходит в режим работы по интерфейсу.
Во время работы постоянно работает система слежения за
положением головки на диске: из непрерывно считываемого сигнала выделяется
сигнал рассогласования, который
подается в схему обратной связи, управляющую током обмотки
позиционера. В результате отклонения головки от центра
дорожки в обмотке возникает сигнал, стремящийся вернуть ее на место.
При отключении питания
процессор, используя энергию, оставшуюся в конденсаторах платы, либо извлекая
энергию из обмоток двигателя, который при этом работает как генератор, выдает
команду на установку позиционера в парковочное положение. В некоторых жестких
дисках этому способствует помещенное между дисками подпружиненное коромысло,
постоянно испытывающее давление воздуха. При ослаблении воздушного потока
коромысло дополнительно толкает позиционер в парковочное положение, где тот
фиксируется защелкой.
Гермоблок заполнен обычным
обеспыленным воздухом под атмосферным давлением. При вращении дисков создается
сильный поток воздуха, который циркулирует по периметру гермоблока и постоянно
очищается фильтром, установленным на одной
из его сторон. В крышках гермоблоков некоторых жестких дисков специально
делаются небольшие отверстия, заклеенные
тонкой пленкой, которые служат
для выравнивания давления внутри и
снаружи. В ряде моделей окно закрывается воздухопроницаемым фильтром.
Внутри гермоблока также размещен предусилитель сигнала, снятого с
головок, и их коммутатор. Позиционер соединен
с платой предусилителя гибким ленточным кабелем, однако в отдельных
винчестерах (в частности - некоторые
модели Maxtor AV) питание обмотки подведено отдельными одножильными проводами, которые имеют тенденцию ломаться
при активной работе.
У одних моделей
винчестеров оси шпинделя
и позиционера закреплены только в одном месте - на
корпусе винчестера, у других они
дополнительно крепятся винтами к
крышке гермоблока. Вторые модели более чувствительны к микродеформации при
креплении - достаточно сильной затяжки крепежных винтов, чтобы возник недопустимый перекос осей. В ряде
случаев такой перекос может стать труднообратимым или необратимым совсем.
Плата электроники - съемная,
подключается к гермоблоку через
один-два разъема различной конструкции. На плате расположены основной процессор
винчестера, ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) с программой, рабочее ОЗУ,
которое обычно используется и в качестве дискового буфера (буфер нужен для
согласования скоростей потоков данных на уровне чтения/записи и внешнего
интерфейса, его часто ошибочно называют кэшем), цифровой сигнальный процессор
(DSP) для подготовки записываемых и обработки считанных сигналов, и
интерфейсная логика. На одних винчестерах программа процессора полностью
хранится в ПЗУ, на других определенная ее часть записана в служебной области
диска. На диске также могут быть записаны параметры накопителя (модель,
серийный номер, секторы конфигурации, таблицы дефектов, и т.д.). Некоторые винчестеры хранят эту информацию в
электрически перепрограммируемом ПЗУ (EEPROM).
Многие винчестеры имеют на
плате электроники специальный технологический интерфейс с разъемом, через
который при помощи стендового оборудования можно выполнять различные
сервисные операции с
накопителем - тестирование, форматирование, переназначение дефектных
участков и т.п.
Жесткий диск посредством
шлейфа (40 или 80 жил) соединяется с материнской платой или отдельным
контроллером.
1.2. Хранение, запись
и чтение данных
Поверхность жесткого диска
содержит намагниченные частицы металла. Каждая частица имеет северный и южный
полюс. Головка чтения-записи может прикладывать магнитное поле к небольшой
группе этих частиц, изменяя их полярность так, что север становится югом и
наоборот. Минимальная площадь поверхности диска, которая может сохранять такие
изменения магнитного потока, называется магнитным доменом. В то время
как диск вращается под головкой, она все время меняет полярность магнитного
поля, создавая последовательность изменений полярности на диске.
Данные
на жестком диске записываются в виде последовательности двоичных (бинарных)
битов (бит – цифра двоичной системы счисления, т.е. “0” или “1”). Каждый бит
хранится как магнитный заряд (положительный или отрицательный) на магнитном
слое пластины. При записи информации, данные посылаются к жесткому диску в виде
последовательности битов. После получения диском данных, используются головки
для магнитной записи. В этот момент головка генерирует поток магнитных
импульсов, кодирующих данные на поверхности диска. Изменение полярности
отвечает значению “1”, а отсутствие изменения – значению “0”. Информация не
обязательно хранятся последовательно; например, данные одного файла могут быть
записаны в разные места на разных
пластинах.
Когда
компьютер запрашивает данные, хранящиеся на диске, пластины начинают вращаться,
а головки – двигаться, пока не будет найдена область с запрашиваемой
информацией. Головка пассивно "парит" над поверхностью диска, и,
когда микроскопические магниты, образующие магнитные домены, проходят под ней,
они влияют на магнитное поле головки. Электроника дисковода многократно
усиливает эти слабые возмущения, превращая их в последовательности нулей и
единиц, которые затем поступают в микросхемы памяти компьютера.
Может
показаться, что набор из восьми
"1" и "0",составляющий
один байт данных, просто записывается в виде восьми последовательных
магнитных доменов вдоль дорожки диска.
Это довольно далеко от истинного положения дел. Слишком много
данных пакуется в малую о6ласть,
и если бы в данные не была добавлена дополнительная информация, то существовала бы слишком большая вероятность
ошибки. Электроника контроллера должна
выполнить сложную работу. Как контроллеру узнать, какая часть диска
проходит под головками? Ведь если
он ошибется хотя бы в позиции одного магнитного домена, то это
может привести к непредсказуемым последствиям.
Ответ заключается в том,
что контроллер ориентируется на начало секторов, читая специальную информацию, записанную при
форматировании диска. Но, когда головка летит над данными сектора,
контроллер должен уследить за тысячами доменов, пока он вновь не встретит форматную информацию. Если изменения магнитного потока носили регулярный характер,
контроллер мог бы легко отслеживать положение головки чтения-записи. Но
сектор может быть заполнен нулями, при
этом тысячи магнитных доменов пронесутся
без единого изменения магнитного
потока, и о6язательно произойдет сбой. По
этой причине данные должны быть закодированы так, чтобы не встречалось
подряд слишком много нулей (отсутствие изменения магнитного потока).
В исходном методе частотной модуляции (ЧМ) каждый второй
магнитный домен отводился под синхроимпульс.
Пропадала половина
дискового пространства. Потом возникла идея кодировать изменения
магнитного потока по отношению к
предыдущему биту. В
результате получился метод модифицированной частотной модуляции
(МЧМ). МЧМ не только избавляет от бита синхроимпульса, но и упаковывает на диске вдвое больше
данных, чем при ЧМ-кодировании. Существует также кодирование с ограниченным
числом повторов (RLL - run length limited). Кодирование с ограниченным числом
повторов переводит данные в специальные кодовые последовательности. Эти коды выбраны за
определенные численные характеристики, в особенности за возможное
количество встречающихся подряд
нулей. За этим стоит весьма
сложная логика, но результат очень прост: на диск удается упаковать
больше данных.
2. Что такое форматирование?
Компьютер должен
иметь возможность быстро получить доступ к нужной информации. Однако даже самые
маленькие диски могут хранить миллионы и миллионы битов. Каким образом компьютер
знает где искать необходимые данные? Для решения этой проблемы диск разбивается
на части, позволяя проще найти информацию. Базовая форма организации диска
называется форматированием. Форматирование подготавливает жесткий диск
для чтения и записи данных. Существуют два типа форматирования: физический
и логический.
2.1. Физическое форматирование
Жесткий диск перед логическим форматированием должен быть отформатирован физически. Ранние модели винчестеров, как и гибкие диски, изготовлялись с чистыми магнитными поверхностями; первоначальная разметка (физическое или низкоуровневое форматирование) производилась потребителем по его усмотрению, и могла быть выполнена любое количество раз. Для современных моделей разметка производится в процессе изготовления; при этом на диски записывается сервоинформация - специальные метки, необходимые для стабилизации скорости вращения, поиска секторов и слежения за положением головок на поверхностях. Специальные датчики на головке чтения/записи следят за этими метками; когда они фиксируют сильное изменение поля, контроллер знает, что головка уходит от центра дорожки и изменяет соответст вующим образом величину тока в соленоиде.
Раньше часто для записи сервоинформации использовалась отдельная сервоповерхность (DSS - dedicated servo surface, dedicated - выделенная), при этом целая сторона одной из пластин отдается под серводанные. По этой поверхности настраивались головки всех остальных поверхностей. Такая система требовала высокой жесткости крепления головок, чтобы между ними не возникало расхождений после начальной разметки. Сейчас сервоинформация записывается в промежутках между секторами (embedded - встроенная), что позволяет снять ограничение на жесткость подвижной системы. В некоторых моделях применяется комбинированная система слежения - встроенная сервоинформация в сочетании с выделенной поверхностью; при этом грубая настройка выполняется по выделенной поверхности, а точная - по встроенным меткам.
Поскольку сервоинформация представляет собой опорную разметку диска, контроллер винчестера не в состоянии самостоятельно восстановить ее в случае порчи. При программном форматировании такого винчестера возможна только перезапись заголовков и контрольных сумм секторов данных.
При начальной разметке и тестировании современного винчестера на заводе почти всегда обнаруживаются дефектные сектора, которые заносятся в специальную таблицу переназначения. При обычной работе контроллер жесткого диска подменяет эти сектора резервными, которые специально оставляются для этой цели на каждой дорожке, группе дорожек или выделенной зоне диска. Благодаря этому новый винчестер создает видимость полного отсутствия дефектов поверхности, хотя на самом деле они есть почти всегда.
Физическое форматирование подразделяет
пластины жесткого диска на базовые элементы: дорожки, сектора и цилиндры. По
этим элементам определяются адреса, по которым данные читаются и записываются
физически.
Каждая сторона пластины разбита
на концентрические дорожки. Дорожки идентифицированы числами, начиная с
нулевой дорожки на внешней стороне пластины.
Дорожки делятся на сектора,
используемые для хранения фиксированного количества данных. Сектора обычно
содержат 528 байт информации. 16 байт отводится для служебной информации (адресная
информация и контрольная сумма), а остальные 512 байт – для данных. Количество
секторов в дорожке не фиксировано из-за разных радиусов и методов записи. Так
как физический радиус дорожки варьируется от самого меньшего радиуса внутренней
дорожки к наибольшему радиусу внешней, нулевой дорожки, то число секторов в
дорожке постепенно повышается от
меньших, внутренних дорожек к большим, внешним дорожкам. Однако, это изменение
не линейное.
Дорожки на равном расстоянии от
центра на всех поверхностях пластин объединяются в цилиндры. Например,
третьи дорожки каждой стороны каждой пластины расположены на одном расстоянии
от шпинделя. Если представить все эти дорожки соединенными вертикально, то их
объединение примет форму цилиндра.
Зоны – группы цилиндров,
каждые с одним и тем же количеством дорожек, которые в свою очередь, имеют
одинаковое количество секторов. Чтобы минимизировать потери, количество зон,
установленных на диске может быть 10 и более.
Таким образом, для доступа к определенному сектору нужно:
1)
отвести головки
на нужное расстояние от центра, то есть позиционировать на определенный
цилиндр;
2)
начать просмотр
дорожки на нужной пластине, активировав соответствующую головку;
3)
производить
чтение всей информации до появления заголовка сектора, номер которого (номер
содержится в этом заголовке) совпадает с нужным для операции чтения или записи.
В соответствии с
такой схемой нахождения необходимой информации на жестком диске такой метод
адресации называется CHS-адресацией (Cylinder-Head-Sector). Стороны и головки,
нумеруются с 0. Нумерация дорожек также
начинается с 0. Соответственно
цилиндр 0 состоит из самых внешних дорожек всех пластин. Как ни странно,
нумерация секторов начинается с 1.
Компьютерные аппаратные
средства и программное обеспечение часто работают с цилиндрами. Если данные
записаны на диск в одном цилиндре, то они могут быть доступны без передвижения
головок чтения/записи. А движения головок медленные, по отношению к вращению
диска и переключению между головками. Поэтому хранение информации по цилиндрам
значительно увеличивает производительность.
Важным понятием является плотность
цилиндра. Плотность цилиндра говорит о числе секторов, содержащихся в
цилиндре. Она равна числу секторов на дорожке, умноженному на число сторон
пластин. Диски с высокой плотностью цилиндра предпочтительнее, поскольку они
могут уместить большой файл на меньшем числе цилиндров. При этом при чтении
файла понадобится меньше перемещений головок и дисковод будет работать быстрее.
Фирмы-производители увеличивают плотность цилиндра, создавая дисководы с
большим числом пластин или используя покрытие и электронику, позволяющие
достичь больших плотностей данных, что дает большее число секторов на дорожку.
После физического
форматирования жесткого диска, магнитные свойства поверхности пластин могут
постепенно ухудшаться. В результате чего, становится все сложней и сложней
считывать данные с пораженных областей и записывать данные на пораженные
области. Сектора, которые не могут больше использоваться для хранения информации,
называются сбойными (bad sectors).
Пораженные области могут образовываться и в других случаях. Сильные
вибрации или сбой механики могут вызвать удар головки чтения/записи об оксидное
покрытие и оставить на нем углубление. Импульс вращающихся пластин делает это
столкновение весьма энергичным. В месте удара головки данные уже не могут быть
записаны, а если это место содержало данные, они оказываются потерянными. Но
что еще хуже, частицы магнитного материала при ударе освобождаются и получают
возможность свободно блуждать внутри дисковода. Эти частицы могут быть много
больше, чем зазор между головками и поверхностями пластин; задев такую частицу,
головка подлетит вверх и, упав обратно, разрушит новую порцию данных. Иногда
частицы прилипают к головке и нарушают ее магнитное поле.
Большинство современных компьютеров могут определять сбойные сектора.
Такие сектора просто помечаются и больше не используются.
2.2. Логическое
форматирование
После физического
форматирования, жесткий диск должен быть отформатирован логически. Логическое
форматирование устанавливает файловую систему на диске, позволяя операционным
системам (таким как DOS, OS/2, Windows, Linux) использовать
доступное дисковое пространство для хранения данных и доступа к ним. Различные
операционные системы используют различные файловые системы, поэтому тип
логического форматирования зависит от операционной системы, которую планируется
установить.
3. Гибкий диск
Гибкие диски работают на том же
принципе, что и жесткие, но их устройство несколько иное. Головки чтения-записи слегка
прижимаются к поверхности диска при
закрытии дверцы дисковода. Покрытие диска делается толстым, чтобы противостоять трению головок и
предохранительного конверта. Так как гибкие диски являются гибкими, они
подвержены деформации; размеры диска постоянно меняются с температурой и
влажностью. А поскольку дискеты устанавливаются в дисководе на тонкой ступице,
они теряют точную центровку.
По этим причинам положения дорожек не определены с такой точностью, как на жестком диске. В дисководах гибких
дисков используются позиционеры головок с шаговым двигателем, который не следит
за положением дорожек, а просто передвигает головку в место предполагаемого
нахождения дорожки. Для преодоления
этих недостатков на дискете размещают гораздо
меньше дорожек, а ширина дорожки больше.
Почему у гибких дисков не бывает аварии головок? На самом деле гибкие диски как бы
находятся в постоянно аварийном состоянии,
так как при их вращении головки все время лежат на поверхности. Но авария
подразумевает приложение
большого усилия к малому участку поверхности диска, а конструкция
дисковода гибких дисков исключает это. Дискета вращается медленно, головки
имеют большой размер, а сама дискета гибкая. При воздействии на дисковод
усилие, передаваемое головке, не увеличивается за счет вращения дискеты; оно
приходится на большую площадь, да и сама дискета подается под ударом головки. В
результате практически нет повреждения. Хотя аварий дискет и не бывает, они все же
подвержены износу от трения головки и предохранительного конверта, В котором
находится дискета. Вот почему гибкие
диски не находятся
постоянно в состоянии
вращения.
Как и жесткие диски, гибкие получают основной выигрыш в емкости не от
упаковки большего количества данных
на дорожку, а от упаковки большего числа дорожек на дискету. Как это ни
парадоксально, чем меньше дискета, тем выше плотность дорожек. Уменьшение
диаметра означает уменьшение деформаций дискеты. Втулка в жестком пластиковом
конверте может точнее отцентрировать
дискету. Сам конверт делает
дискету более плоской при вращении, так что она сильно не отклоняется от
головок.
* *
*
Подводя итог, можно сказать,
что основой вторичной памяти остаются жесткие диски. Они работают все быстрее и
быстрее и вмещают все больше и больше данных. И в них появляются много
приспособлений, увеличивающих их
надежность и производительность. К
сожалению, они по-прежнему представляют
угрозу целостности данных. Так как жесткие диски еще долго будут с нами, вы
поступите разумно, хорошенько в них
разобравшись.